Lämpökapasiteetti on kyky imeä lämpöä lämmitettäessä tai luovuttaa sitä jäähtyessään. Kehon lämpökapasiteetti on kehon vastaanottaman äärettömän pienen lämpömäärän suhde sen lämpötila-indikaattoreiden vastaavaan nousuun. Arvo mitataan J/K:ssa. Käytännössä käytetään hieman erilaista arvoa - ominaislämpökapasiteettia.

Määritelmä

Mitä ominaislämpökapasiteetti tarkoittaa? Tämä on määrä, joka liittyy yhteen aineen määrään. Vastaavasti aineen määrä voidaan mitata kuutiometreinä, kilogrammoina tai jopa mooliina. Mistä se riippuu? Fysiikassa lämpökapasiteetti riippuu suoraan siitä, mihin kvantitatiiviseen yksikköön se viittaa, mikä tarkoittaa, että niissä erotetaan molaarinen, massa- ja tilavuuslämpökapasiteetti. Rakennusteollisuudessa et tapaa molaarimittauksia, mutta muiden kanssa - koko ajan.

Mikä vaikuttaa ominaislämpökapasiteettiin?

Tiedät, mikä lämpökapasiteetti on, mutta mitkä arvot vaikuttavat indikaattoriin, ei ole vielä selvää. Ominaislämmön arvoon vaikuttavat suoraan useat komponentit: aineen lämpötila, paine ja muut termodynaamiset ominaisuudet.

Tuotteen lämpötilan noustessa sen ominaislämpökapasiteetti kasvaa, mutta tietyt aineet eroavat tästä riippuvuudesta täysin epälineaarisella käyrällä. Esimerkiksi lämpötila-indikaattoreiden noustessa nollasta kolmeenkymmeneenseitsemään asteeseen veden ominaislämpökapasiteetti alkaa laskea, ja jos raja on 37 ja sata astetta, indikaattori päinvastoin lisääntyä.

On syytä huomata, että parametri riippuu myös siitä, kuinka tuotteen termodynaamisten ominaisuuksien (paine, tilavuus ja niin edelleen) annetaan muuttua. Esimerkiksi ominaislämpö vakaassa paineessa ja vakaassa tilavuudessa on erilainen.

Kuinka parametri lasketaan?

Kiinnostaako mikä on lämpökapasiteetti? Laskentakaava on seuraava: C \u003d Q / (m ΔT). Mitä nämä arvot ovat? Q on lämmön määrä, jonka tuote vastaanottaa kuumennettaessa (tai tuotteen vapauttamana jäähtyessään). m on tuotteen massa ja ΔT on tuotteen loppu- ja alkulämpötilan ero. Alla on taulukko joidenkin materiaalien lämpökapasiteetista.

Mitä voidaan sanoa lämpökapasiteetin laskemisesta?

Lämpökapasiteetin laskeminen ei ole helppo tehtävä, varsinkin jos käytetään vain termodynaamisia menetelmiä, sitä on mahdotonta tehdä tarkemmin. Siksi fyysikot käyttävät tilastollisen fysiikan menetelmiä tai tietoa tuotteiden mikrorakenteesta. Kuinka laskea kaasu? Kaasun lämpökapasiteetti lasketaan laskemalla aineen yksittäisten molekyylien keskimääräinen lämpöliikeenergia. Molekyylien liikkeet voivat olla translaatio- ja rotaatiotyyppisiä, ja molekyylin sisällä voi olla kokonainen atomi tai atomien värähtely. Klassinen tilasto kertoo, että kullekin pyörimis- ja translaatioliikkeiden vapausasteelle on molaarinen arvo, joka on yhtä suuri kuin R / 2, ja jokaiselle värähtelyvapausasteelle arvo on yhtä suuri kuin R. Tätä sääntöä kutsutaan myös tasa-arvolaki.

Tässä tapauksessa yksiatomisen kaasun hiukkanen eroaa vain kolmella translaatiovapausasteella, ja siksi sen lämpökapasiteetin tulisi olla yhtä suuri kuin 3R/2, mikä sopii erinomaisesti kokeeseen. Jokaisella kaksiatomisella kaasumolekyylillä on kolme translaatio-, kaksi rotaatio- ja yksi värähtelyn vapausastetta, mikä tarkoittaa, että tasajakolaki on 7R/2, ja kokemus on osoittanut, että kaksiatomisen kaasun moolin lämpökapasiteetti tavallisessa lämpötilassa on 5R/ 2. Miksi teoriassa oli tällainen ristiriita? Kaikki johtuu siitä, että lämpökapasiteettia määritettäessä on tarpeen ottaa huomioon erilaisia ​​kvanttivaikutuksia eli käyttää kvanttitilastoja. Kuten näette, lämpökapasiteetti on melko monimutkainen käsite.

Kvanttimekaniikka sanoo, että millä tahansa hiukkasjärjestelmällä, joka värähtelee tai pyörii, mukaan lukien kaasumolekyyli, voi olla tiettyjä erillisiä energia-arvoja. Jos lämpöliikkeen energia asennetussa järjestelmässä ei riitä herättämään vaaditun taajuuden värähtelyjä, nämä värähtelyt eivät vaikuta järjestelmän lämpökapasiteettiin.

Kiinteissä aineissa atomien lämpöliike on heikko värähtely tiettyjen tasapainoasemien ympärillä, tämä koskee kidehilan solmuja. Atomilla on kolme värähtelyvapausastetta ja lain mukaan kiinteän kappaleen molaarinen lämpökapasiteetti on yhtä suuri kuin 3nR, missä n on molekyylissä olevien atomien lukumäärä. Käytännössä tämä arvo on raja, johon kehon lämpökapasiteetti pyrkii korkeissa lämpötiloissa. Arvo saavutetaan normaaleilla lämpötilan muutoksilla monissa alkuaineissa, tämä koskee metalleja sekä yksinkertaisia ​​yhdisteitä. Myös lyijyn ja muiden aineiden lämpökapasiteetti määritetään.

Mitä voidaan sanoa matalista lämpötiloista?

Tiedämme jo mikä on lämpökapasiteetti, mutta jos puhumme matalista lämpötiloista, miten arvo lasketaan silloin? Jos puhumme matalan lämpötilan indikaattoreista, kiinteän kappaleen lämpökapasiteetti osoittautuu sitten verrannolliseksi T 3 tai ns. Debyen lämpökapasiteetin laki. Pääkriteeri korkeiden lämpötilojen erottamiseksi matalista on niiden tavanomainen vertailu tietylle aineelle ominaiseen parametriin - tämä voi olla ominaisuus tai Debye-lämpötila q D . Esitetty arvo määräytyy tuotteen atomien värähtelyspektrin mukaan ja riippuu merkittävästi kiderakenteesta.

Metalleissa johtavuuselektronien osuus lämpökapasiteetista on tietty. Tämä osa lämpökapasiteetista on laskettu Fermi-Dirac-tilastoilla, joissa elektronit huomioidaan. Metallin sähköinen lämpökapasiteetti, joka on verrannollinen tavanomaiseen lämpökapasiteettiin, on suhteellisen pieni arvo, ja se vaikuttaa metallin lämpökapasiteettiin vain absoluuttisen nollan lähellä olevissa lämpötiloissa. Silloin hilan lämpökapasiteetti tulee hyvin pieneksi ja voidaan jättää huomiotta.

Massalämpökapasiteetti

Massaominaislämpökapasiteetti on lämpömäärä, joka on saatettava aineen massayksikköön tuotteen lämmittämiseksi yksikkölämpötilaa kohden. Tämä arvo on merkitty kirjaimella C ja se mitataan jouleina jaettuna kilogrammalla kelviniä kohti - J / (kg K). Tämä kaikki koskee massan lämpökapasiteettia.

Mikä on tilavuuslämpökapasiteetti?

Tilavuuslämpökapasiteetti on tietty määrä lämpöä, joka on saatettava tuotantoyksikkömäärään, jotta se lämmitetään yksikkölämpötilaa kohden. Tämä indikaattori mitataan jouleina jaettuna kuutiometrillä kelviniä kohti tai J / (m³ K). Monissa rakennusalan hakukirjoissa huomioidaan työn massakohtainen lämpökapasiteetti.

Lämpökapasiteetin käytännön sovellus rakennusteollisuudessa

Kuumuutta kestävien seinien rakentamisessa käytetään aktiivisesti monia lämpöintensiivisiä materiaaleja. Tämä on erittäin tärkeää taloille, joille on ominaista säännöllinen lämmitys. Esimerkiksi uuni. Lämpöintensiiviset tuotteet ja niistä rakennetut seinät keräävät täydellisesti lämpöä, varastoivat sitä lämmitysjaksojen aikana ja vapauttavat lämpöä vähitellen järjestelmän sammuttamisen jälkeen, jolloin voit ylläpitää hyväksyttävää lämpötilaa koko päivän.

Joten mitä enemmän lämpöä varastoituu rakenteeseen, sitä mukavampi ja vakaampi huoneiden lämpötila on.

On huomattava, että tavallisella asuntorakentamisessa käytetyllä tiilellä ja betonilla on huomattavasti pienempi lämpökapasiteetti kuin polystyreenillä. Jos otamme ekovillan, se kuluttaa kolme kertaa enemmän lämpöä kuin betoni. On huomattava, että lämpökapasiteetin laskentakaavassa ei turhaan ole massaa. Suuren valtavan betoni- tai tiilimassansa ansiosta se mahdollistaa ekovillaan verrattuna valtavien lämpömäärien keräämisen rakenteiden kiviseiniin ja tasoittaa kaikkia päivittäisiä lämpötilanvaihteluita. Vain pieni eristemassa kaikissa runkotaloissa hyvästä lämpökapasiteetista huolimatta on kaikkien runkotekniikoiden heikoin alue. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kaikkiin taloihin asennetaan vaikuttavat lämmönvaraajat. Mikä se on? Nämä ovat rakenneosia, joille on ominaista suuri massa ja melko hyvä lämpökapasiteettiindeksi.

Esimerkkejä lämmön varaajista elämässä

Mitä se voisi olla? Esimerkiksi jotkut sisäiset tiiliseinät, iso liesi tai takka, betonitasotteet.

Minkä tahansa talon tai asunnon huonekalut ovat erinomainen lämmönvaraaja, koska vaneri, lastulevy ja puu voivat itse asiassa varastoida lämpöä vain painokiloa kohden kolme kertaa enemmän kuin pahamaineinen tiili.

Onko lämpövarastolla haittoja? Tietenkin tämän lähestymistavan suurin haittapuoli on, että lämmönvaraaja on suunniteltava runkorakennuksen luomisvaiheessa. Tämä johtuu siitä, että se on erittäin raskas, ja tämä on otettava huomioon perustaa luotaessa ja sitten kuvitella, kuinka tämä esine integroidaan sisustukseen. On syytä sanoa, että on tarpeen ottaa huomioon paitsi massa, myös työn molemmat ominaisuudet on arvioitava: massa ja lämpökapasiteetti. Jos esimerkiksi käytät lämpövarastona kultaa, jonka paino on uskomattoman kaksikymmentä tonnia kuutiometrillä, niin tuote toimii niin kuin sen pitäisikin vain kaksikymmentäkolme prosenttia paremmin kuin kaksi ja puoli tonnia painava betonikuutio.

Mikä aine soveltuu parhaiten lämmönvaraajaksi?

Paras tuote lämpövaraajaksi ei ole betoni ja tiili ollenkaan! Kupari, pronssi ja rauta tekevät hyvää työtä, mutta ne ovat erittäin raskaita. Kummallista kyllä, mutta paras lämmönvaraaja on vesi! Nesteen lämpökapasiteetti on vaikuttava, suurin saatavilla olevista aineista. Ainoastaan ​​heliumkaasuilla (5190 J / (kg K) ja vedyllä (14300 J / (kg K))) on enemmän lämpökapasiteettia, mutta niiden soveltaminen käytännössä on ongelmallista. Katso halutessasi ja tarpeen mukaan aineiden lämpökapasiteettitaulukko tarvitset.

Otetaan nyt käyttöön erittäin tärkeä termodynaaminen ominaisuus nimeltään lämpökapasiteetti järjestelmät(perinteisesti merkitty kirjaimella FROM eri indekseillä).

Lämpökapasiteetti - arvo lisäaine, se riippuu järjestelmän aineen määrästä. Siksi esittelemme myös ominaislämpö

Ominaislämpö on lämpökapasiteetti aineen massayksikköä kohti

ja molaarinen lämpökapasiteetti

Molaarinen lämpökapasiteetti on aineen yhden moolin lämpökapasiteetti

Koska lämmön määrä ei ole tilafunktio ja riippuu prosessista, lämpökapasiteetti riippuu myös tavasta, jolla lämpöä syötetään järjestelmään. Tämän ymmärtämiseksi muistakaamme termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö. Tasa-arvon jakaminen ( 2.4) absoluuttisen lämpötilan alkeislisäystä kohti dT, saamme suhteen

Toinen termi, kuten olemme nähneet, riippuu prosessin tyypistä. Huomaamme, että yleisessä tapauksessa ei-ideaalisessa järjestelmässä, jonka hiukkasten (molekyylit, atomit, ionit jne.) vuorovaikutusta ei voida jättää huomiotta (ks. esim. kappale 2.5 jäljempänä, jossa van der Waalsin kaasu Sisäinen energia ei riipu pelkästään lämpötilasta, vaan myös järjestelmän tilavuudesta. Tämä selittyy sillä, että vuorovaikutusenergia riippuu vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten välisestä etäisyydestä. Kun järjestelmän tilavuus muuttuu, hiukkasten pitoisuus muuttuu vastaavasti, niiden välinen keskimääräinen etäisyys muuttuu ja tämän seurauksena vuorovaikutusenergia ja koko järjestelmän sisäinen energia muuttuvat. Toisin sanoen ei-ideaalisen järjestelmän yleisessä tapauksessa

Siksi yleisessä tapauksessa ensimmäistä termiä ei voida kirjoittaa kokonaisderivaataksi, vaan kokonaisderivaata on korvattava osittaisella derivaatalla, jossa on lisätieto vakioarvosta, jolla se lasketaan. Esimerkiksi isokoriselle prosessille:

.

Tai isobariseen prosessiin

Tähän lausekkeeseen sisältyvä osittaisderivaata lasketaan käyttämällä järjestelmän tilayhtälöä, joka on kirjoitettu muodossa . Esimerkiksi ihanteellisen kaasun erityistapauksessa

tämä johdannainen on

.

Käsittelemme kahta lämmönsyöttöprosessia vastaavaa erityistapausta:

• vakio tilavuus;
• jatkuva paine järjestelmässä.

Ensimmäisessä tapauksessa työskentele dA = 0 ja saamme lämpökapasiteetin CV ihanteellinen kaasu vakiotilavuudella:

Ottaen huomioon yllä tehty varaus, ei-ideaaliselle järjestelmälle relaatio (2.19) on kirjoitettava seuraavassa yleisessä muodossa

Vaihdetaan sisään 2.7, ja , saamme heti:

.

Ihanteellisen kaasun lämpökapasiteetin laskeminen Kanssa p vakiopaineessa ( dp=0) otamme huomioon, että yhtälöstä ( 2.8) seuraa lauseketta alkeistyölle äärettömän pienellä lämpötilan muutoksella

Pääsemme lopulta

Jakamalla tämä yhtälö aineen moolien määrällä järjestelmässä, saadaan samanlainen suhde molaarisille lämpökapasiteeteille vakiotilavuudessa ja paineessa, ns. Mayerin suhde

Viitteeksi annamme yleisen kaavan - mielivaltaiselle järjestelmälle -, joka yhdistää isokorisen ja isobarisen lämpökapasiteetin:

Lausekkeet (2.20) ja (2.21) saadaan tästä kaavasta korvaamalla siihen ideaalikaasun sisäisen energian lauseke ja käyttämällä hänen tilayhtälöään (katso yllä):

.

Aineen tietyn massan lämpökapasiteetti vakiopaineessa on suurempi kuin lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa, koska osa syötetystä energiasta kuluu työntekoon ja samaan lämmitykseen tarvitaan enemmän lämpöä. Huomaa, että kohdasta (2.21) seuraa kaasuvakion fysikaalinen merkitys:

Siten lämpökapasiteetti ei riipu vain aineen tyypistä, vaan myös olosuhteista, joissa lämpötilan muutosprosessi tapahtuu.

Kuten näemme, ihanteellisen kaasun isokooriset ja isobariset lämpökapasiteetit eivät riipu kaasun lämpötilasta, vaan todellisille aineille nämä lämpökapasiteetit riippuvat yleisesti ottaen myös itse lämpötilasta. T.

Ihanteellisen kaasun isokooriset ja isobariset lämpökapasiteetit voidaan saada myös suoraan yleisestä määritelmästä käyttämällä yllä saatuja kaavoja ( 2.7) ja (2.10 ) lämpömäärälle, jonka ihanteellinen kaasu saa näissä prosesseissa.

Isokooriselle prosessille lauseke for CV seuraa ( 2.7):

Isobariselle prosessille lauseke for C s seuraa kohdasta (2.10):

varten molaariset lämpökapasiteetit tästä syystä saadaan seuraavat lausekkeet

Lämpökapasiteettien suhde on yhtä suuri kuin adiabaattinen indeksi:

Termodynaamisella tasolla on mahdotonta ennustaa numeerista arvoa g; onnistuimme tekemään tämän vain ottaen huomioon järjestelmän mikroskooppiset ominaisuudet (katso lauseke (1.19 ), sekä ( 1.28) kaasuseokselle). Kaavoista (1.19) ja (2.24) seuraavat teoreettiset ennusteet kaasujen molaarisille lämpökapasiteeteille ja adiabaattiselle eksponentille.

Monatomiset kaasut (i = 3):

Diatomiset kaasut (i = 5):

Polyatomiset kaasut (i = 6):

Eri aineiden kokeelliset tiedot on esitetty taulukossa 1.

pöytä 1

Aine			g

Voidaan nähdä, että ideaalisten kaasujen yksinkertainen malli kuvaa yleisesti ottaen varsin hyvin todellisten kaasujen ominaisuuksia. Huomaa, että sopimus saatiin ottamatta huomioon kaasumolekyylien värähtelyn vapausasteita.

Olemme myös antaneet joidenkin metallien molaarisen lämpökapasiteetin arvot huoneenlämpötilassa. Jos kuvittelemme metallin kidehilan järjestetyksi sarjaksi kiinteitä palloja, jotka on liitetty jousiin viereisiin palloihin, niin jokainen hiukkanen voi värähdellä vain kolmeen suuntaan ( lasken = 3), ja jokainen tällainen vapausaste liittyy kinetiikkaan k V T/2 ja sama potentiaalinen energia. Siksi kidehiukkasella on sisäinen (värähtelevä) energia k V T. Kertomalla Avogadro-luvulla saamme yhden moolin sisäisen energian

mistä molaarisen lämpökapasiteetin arvo tulee

(Kiinteiden aineiden pienen lämpölaajenemiskertoimen vuoksi ne eivät erotu toisistaan kanssa p ja CV). Yllä olevaa suhdetta kiinteiden aineiden molaariselle lämpökapasiteetille kutsutaan Dulongin ja Petitin laki, ja taulukossa näkyy hyvä vastaavuus lasketun arvon kanssa

kokeilun kanssa.

Puhuttaessa yllä olevien suhteiden ja kokeellisten tietojen välisestä hyvästä sopivuudesta on huomattava, että se havaitaan vain tietyllä lämpötila-alueella. Toisin sanoen järjestelmän lämpökapasiteetti riippuu lämpötilasta, ja kaavoilla (2.24) on rajoitettu soveltamisala. Harkitse ensin kuva. 2.10, joka osoittaa lämpökapasiteetin kokeellisen riippuvuuden television kanssa vetykaasua absoluuttisesta lämpötilasta T.

Riisi. 2.10. Kaasumaisen vedyn molaarinen lämpökapasiteetti Н2 vakiotilavuudessa lämpötilan funktiona (kokeellinen data)

Alla, lyhyyden vuoksi, puhumme tiettyjen vapausasteiden puuttumisesta molekyyleissä tietyillä lämpötila-alueilla. Muistutamme jälleen kerran, että puhumme itse asiassa seuraavista. Kvanttisyistä yksittäisten liiketyyppien suhteellinen osuus kaasun sisäisestä energiasta riippuu todella lämpötilasta ja tietyin lämpötilavälein voi olla niin pieni, että kokeessa - aina äärellisellä tarkkuudella - sitä ei havaita. Kokeen tulos näyttää siltä, ​​että tämäntyyppistä liikettä ei olisi olemassa, eikä vastaavia vapausasteita ole. Vapausasteiden lukumäärän ja luonteen määrää molekyylin rakenne ja tilamme kolmiulotteisuus – ne eivät voi riippua lämpötilasta.

Panos sisäiseen energiaan riippuu lämpötilasta ja voi olla pieni.

Alemmissa lämpötiloissa 100 K lämpökapasiteetti

mikä osoittaa, että molekyylissä ei ole sekä pyörimis- että värähtelyvapausasteita. Lisäksi lämpötilan noustessa lämpökapasiteetti kasvaa nopeasti klassiseen arvoon

ominaisuus diatomiselle molekyylille, jossa on jäykkä sidos ja jossa ei ole värähtelyn vapausasteita. Ylälämpötiloissa 2000 K lämpökapasiteetti löytää uuden hypyn arvoon

Tämä tulos osoittaa myös värähtelyn vapausasteiden ilmaantumisen. Mutta kaikki tämä näyttää silti käsittämättömältä. Miksi molekyyli ei voi pyöriä matalissa lämpötiloissa? Ja miksi värähtelyt molekyylissä tapahtuvat vain erittäin korkeissa lämpötiloissa? Edellisessä luvussa annettiin lyhyt laadullinen keskustelu tämän käyttäytymisen kvanttisyistä. Ja nyt voimme vain toistaa, että koko asia liittyy nimenomaan kvanttiilmiöihin, joita ei voida selittää klassisen fysiikan näkökulmasta. Näitä ilmiöitä käsitellään yksityiskohtaisesti kurssin seuraavissa osissa.

lisäinformaatio

http://www.plib.ru/library/book/14222.html - Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of Physics, Science, 1977 - s. 236 - taulukko joidenkin tiettyjen kaasujen molekyylien värähtely- ja pyörimisvapausasteiden tunnusomaisista "päällekytkentä" lämpötiloista;

Siirrytään nyt kuvioon. 2.11, joka edustaa kolmen kemiallisen alkuaineen (kiteiden) molaarisen lämpökapasiteetin riippuvuutta lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa kaikilla kolmella käyrällä on sama arvo

Dulongin ja Petit-lain mukaisesti. Lyijyllä (Pb) ja raudalla (Fe) on tämä rajoittava lämpökapasiteetti käytännössä jo huoneenlämmössä.

Riisi. 2.11. Kolmen kemiallisen alkuaineen - lyijyn, raudan ja hiilen (timantin) - molaarisen lämpökapasiteetin riippuvuus lämpötilasta

Timantille (C) tämä lämpötila ei ole vielä tarpeeksi korkea. Ja matalissa lämpötiloissa kaikki kolme käyrää osoittavat merkittävää poikkeamaa Dulongin ja Petit-laista. Tämä on toinen ilmentymä aineen kvanttiominaisuuksista. Klassinen fysiikka osoittautuu voimattomaksi selittää monia alhaisissa lämpötiloissa havaittuja säännönmukaisuuksia.

lisäinformaatio

http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/physics/thermodynamics.htm - J. de Boer Johdatus molekyylifysiikkaan ja termodynamiikkaan, toim. IL, 1962 - s. 106-107, osa I, § 12 - elektronien osuus metallien lämpökapasiteetista lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa;

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Tiedätkö fysiikkaa? Kirjasto "Quantum", numero 82, Science, 1992. Sivu 132, kysymys 137: millä kappaleilla on suurin lämpökapasiteetti (ks. vastaus s. 151);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. Tiedätkö fysiikkaa? Kirjasto "Quantum", numero 82, Science, 1992. Sivu 132, kysymys 135: veden lämmittämisestä kolmessa tilassa - kiinteä, nestemäinen ja höyry (ks. vastaus s. 151);

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1478.html - fyysinen tietosanakirja. Kalorimetria. Lämpökapasiteetin mittausmenetelmiä kuvataan.

Työn tekemisen sisäisen energian muutokselle on ominaista työn määrä, ts. työ on sisäisen energian muutoksen mitta tietyssä prosessissa. Kehon sisäisen energian muutosta lämmönsiirron aikana luonnehditaan suurella, jota kutsutaan lämmön määräksi.

on kehon sisäisen energian muutos lämmönsiirtoprosessissa ilman työtä. Lämmön määrä on merkitty kirjaimella K .

Työ, sisäinen energia ja lämmön määrä mitataan samoissa yksiköissä - jouleina ( J), kuten mikä tahansa muu energiamuoto.

Lämpömittauksissa erityinen energiayksikkö, kalori ( ulosteet), yhtä kuin lämpömäärä, joka tarvitaan nostamaan 1 gramman vettä lämpötilaa 1 Celsius-asteella (tarkemmin sanottuna 19,5 - 20,5 ° C). Erityisesti tätä yksikköä käytetään tällä hetkellä kerrostalojen lämmön (lämpöenergian) kulutuksen laskennassa. Empiirisesti on määritetty lämmön mekaaninen ekvivalentti - kalorien ja jouleen välinen suhde: 1 cal = 4,2 J.

Kun keho siirtää tietyn määrän lämpöä tekemättä työtä, sen sisäinen energia kasvaa, jos keho luovuttaa tietyn määrän lämpöä, sen sisäinen energia vähenee.

Jos kaadat 100 g vettä kahteen identtiseen astiaan ja 400 g toiseen samassa lämpötilassa ja laitat ne samoihin polttimiin, niin ensimmäisessä astiassa oleva vesi kiehuu aikaisemmin. Eli mitä suurempi kehon massa on, sitä enemmän se tarvitsee lämmittääkseen lämpöä. Sama koskee jäähdytystä.

Kehon lämmittämiseen tarvittava lämmön määrä riippuu myös aineesta, josta tämä kappale on valmistettu. Tätä kehon lämmittämiseen tarvittavan lämpömäärän riippuvuutta aineen tyypistä luonnehtii fysikaalinen määrä, jota kutsutaan ominaislämpökapasiteetti aineet.

- tämä on fysikaalinen määrä, joka on yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka on ilmoitettava 1 kg:aan ainetta, jotta se lämmitetään 1 °C:lla (tai 1 K:lla). Saman määrän lämpöä luovuttaa 1 kg ainetta, kun se jäähdytetään 1 °C:lla.

Ominaislämpökapasiteetti on merkitty kirjaimella Kanssa. Ominaislämpökapasiteetin yksikkö on 1 J/kg °C tai 1 J/kg °K.

Aineiden ominaislämpökapasiteetin arvot määritetään kokeellisesti. Nesteiden ominaislämpökapasiteetti on suurempi kuin metallien; Vedellä on suurin ominaislämpökapasiteetti, kullalla erittäin pieni ominaislämpökapasiteetti.

Koska lämmön määrä on yhtä suuri kuin kehon sisäisen energian muutos, voidaan sanoa, että ominaislämpökapasiteetti näyttää kuinka paljon sisäinen energia muuttuu 1 kg aine, kun sen lämpötila muuttuu 1 °C. Erityisesti 1 kilon lyijyä sisäenergia kasvaa 1 °C kuumennettaessa 140 J ja jäähdytettynä pienenee 140 J.

K tarvitaan kehon massan lämmittämiseen m lämpötila t 1 °С lämpötilaan asti t 2 °С, on yhtä suuri kuin aineen ominaislämpökapasiteetin, ruumiinmassan sekä loppu- ja alkulämpötilan eron tulo, ts.

Q \u003d c ∙ m (t 2 - t 1)

Saman kaavan mukaan lasketaan myös lämmön määrä, jonka keho luovuttaa jäähtyessään. Vain tässä tapauksessa loppulämpötila tulee vähentää alkulämpötilasta, ts. Vähennä pienempi lämpötila suuremmasta lämpötilasta.

Tämä on synopsis aiheesta. "Lämmön määrä. ominaislämpö". Valitse seuraavat vaiheet:

• Siirry seuraavaan abstraktiin:

Vesi on yksi hämmästyttävimmistä aineista. Laajasta levinneisyydestään ja laajasta käytöstään huolimatta se on todellinen luonnon mysteeri. Koska se on yksi happiyhdisteistä, näyttää siltä, ​​​​että vedellä pitäisi olla erittäin alhaiset ominaisuudet, kuten jäätyminen, höyrystymislämpö jne. Mutta näin ei tapahdu. Pelkästään veden lämpökapasiteetti on kaikesta huolimatta erittäin korkea.

Vesi pystyy absorboimaan valtavan määrän lämpöä, vaikka itse ei käytännössä lämpene - tämä on sen fyysinen ominaisuus. vesi on noin viisi kertaa suurempi kuin hiekan lämpökapasiteetti ja kymmenen kertaa suurempi kuin rauta. Siksi vesi on luonnollinen jäähdytysneste. Sen kyky kerätä suuria määriä energiaa mahdollistaa maanpinnan lämpötilan vaihteluiden tasoittamisen ja koko planeetan lämpöjärjestelmän säätelyn, ja tämä tapahtuu vuodenajasta riippumatta.

Tämä veden ainutlaatuinen ominaisuus mahdollistaa sen käytön jäähdytysnesteenä teollisuudessa ja kotona. Lisäksi vesi on laajalti saatavilla oleva ja suhteellisen halpa raaka-aine.

Mitä lämpökapasiteetilla tarkoitetaan? Kuten termodynamiikan kurssista tiedetään, lämmönsiirto tapahtuu aina kuumasta kappaleesta kylmään. Tässä tapauksessa puhumme tietyn lämpömäärän siirtymisestä, ja molempien kappaleiden lämpötila, joka on niiden tilan ominaisuus, osoittaa tämän vaihdon suunnan. Metallikappaleen prosessissa, jossa on yhtä massaa vettä samoissa alkulämpötiloissa, metalli muuttaa lämpötilaansa useita kertoja enemmän kuin vesi.

Jos otamme postulaatiksi termodynamiikan päälauseen - kahdesta kappaleesta (eristetty muista), lämmönvaihdon aikana toinen luovuttaa ja toinen saa yhtä paljon lämpöä, niin käy selväksi, että metallilla ja vedellä on täysin erilainen lämpö kapasiteettia.

Siten veden (sekä minkä tahansa aineen) lämpökapasiteetti on indikaattori, joka kuvaa tietyn aineen kykyä antaa (tai vastaanottaa) jonkin verran jäähdytyksen (lämmityksen) aikana lämpötilayksikköä kohti.

Aineen ominaislämpökapasiteetti on se lämpömäärä, joka tarvitaan tämän aineen yksikön (1 kilogramman) lämmittämiseen yhdellä asteella.

Kehon vapauttaman tai absorboiman lämmön määrä on yhtä suuri kuin ominaislämpökapasiteetin, massan ja lämpötilaeron tulo. Se mitataan kaloreissa. Yksi kalori on täsmälleen se määrä lämpöä, joka riittää lämmittämään 1 g vettä yhdellä asteella. Vertailun vuoksi: ilman ominaislämpökapasiteetti on 0,24 cal/g ∙°C, alumiinin 0,22, raudan 0,11 ja elohopean 0,03.

Veden lämpökapasiteetti ei ole vakio. Lämpötilan noustessa 0:sta 40 asteeseen se laskee hieman (1,0074:stä 0,9980:een), kun taas kaikkien muiden aineiden osalta tämä ominaisuus kasvaa lämmityksen aikana. Lisäksi se voi pienentyä paineen noustessa (syvyydellä).

Kuten tiedät, vedellä on kolme aggregaatiotilaa - nestemäinen, kiinteä (jää) ja kaasumainen (höyry). Samaan aikaan jään ominaislämpökapasiteetti on noin 2 kertaa pienempi kuin veden. Tämä on tärkein ero veden ja muiden aineiden välillä, joiden ominaislämpökapasiteetti kiinteässä ja sulassa tilassa ei muutu. Mikä tässä on salaisuus?

Tosiasia on, että jäällä on kiteinen rakenne, joka ei romahda heti kuumennettaessa. Vesi sisältää pieniä jäähiukkasia, jotka koostuvat useista molekyyleistä ja joita kutsutaan assosiaatioiksi. Kun vettä lämmitetään, osa kuluu näiden muodostumien vetysidosten tuhoamiseen. Tämä selittää veden epätavallisen suuren lämpökapasiteetin. Sen molekyylien väliset sidokset tuhoutuvat täysin vasta, kun vesi muuttuu höyryksi.

Ominaislämpökapasiteetti 100°C:n lämpötilassa ei juuri poikkea jään ominaislämpökapasiteetista 0°C:ssa, mikä vahvistaa jälleen kerran tämän selityksen oikeellisuuden. Höyryn lämpökapasiteetti, kuten jään lämpökapasiteetti, ymmärretään nykyään paljon paremmin kuin veden lämpökapasiteetti, josta tiedemiehet eivät ole vielä päässeet yksimielisyyteen.

Ominaislämpökapasiteetti on aineen ominaisuus. Eli se on erilainen eri aineille. Lisäksi samalla aineella, mutta eri aggregaatiotiloissa, on erilaiset ominaislämpökapasiteetit. Näin ollen on oikein puhua aineen ominaislämpökapasiteetista (veden ominaislämpökapasiteetti, kullan ominaislämpökapasiteetti, puun ominaislämpökapasiteetti jne.).

Tietyn aineen ominaislämpökapasiteetti osoittaa, kuinka paljon lämpöä (Q) siihen on siirrettävä, jotta 1 kilogramma tätä ainetta lämmitetään 1 Celsius-asteella. Ominaislämpökapasiteetti on merkitty latinalaisella kirjaimella c. Eli c = Q/mt. Kun otetaan huomioon, että t ja m ovat yhtä (1 kg ja 1 °C), ominaislämpökapasiteetti on numeerisesti yhtä suuri kuin lämmön määrä.

Lämmöllä ja ominaislämmöllä on kuitenkin eri yksiköt. Lämpö (Q) C-järjestelmässä mitataan jouleina (J). Ja ominaislämpökapasiteetti on jouleina jaettuna kilogrammalla kerrottuna Celsius-asteella: J / (kg ° C).

Jos aineen ominaislämpökapasiteetti on esimerkiksi 390 J / (kg ° C), tämä tarkoittaa, että jos 1 kg tätä ainetta kuumennetaan 1 ° C: lla, se absorboi 390 J lämpöä. Tai toisin sanoen, jotta 1 kg tätä ainetta lämmitetään 1 °C:lla, siihen on siirrettävä 390 J lämpöä. Tai jos 1 kg tätä ainetta jäähdytetään 1 ° C: lla, se luovuttaa 390 J lämpöä.

Jos ei kuitenkaan 1, vaan 2 kg ainetta lämmitetään 1 ° C: lla, siihen on siirrettävä kaksi kertaa enemmän lämpöä. Joten yllä olevassa esimerkissä se on jo 780 J. Sama tapahtuu, jos 1 kg ainetta kuumennetaan 2 °C:lla.

Aineen ominaislämpökapasiteetti ei riipu sen alkulämpötilasta. Eli jos esimerkiksi nestemäisen veden ominaislämpökapasiteetti on 4200 J / (kg °C), niin jopa 20- tai 90-asteisen veden lämmittäminen 1 °C:lla vaatii yhtä lailla 4200 J lämpöä 1 kg:aa kohti. .

Mutta jään ominaislämpökapasiteetti eroaa nestemäisestä vedestä, lähes kaksi kertaa pienempi. Sen lämmittämiseksi 1 °C:lla tarvitaan kuitenkin sama lämpömäärä kiloa kohden riippumatta sen alkulämpötilasta.

Ominaislämpökapasiteetti ei myöskään riipu kehon muodosta, joka on valmistettu tietystä aineesta. Terästanko ja teräslevy, joilla on sama massa, tarvitsevat saman määrän lämpöä lämmittääkseen ne samalla asteella. Toinen asia on, että tässä tapauksessa lämmön vaihto ympäristön kanssa tulee jättää huomiotta. Arkin pinta on suurempi kuin tanko, mikä tarkoittaa, että levy luovuttaa enemmän lämpöä ja siksi se jäähtyy nopeammin. Mutta ihanteellisissa olosuhteissa (kun lämpöhäviö voidaan jättää huomiotta), kehon muoto ei näytä merkitystä. Siksi he sanovat, että ominaislämpö on aineen ominaisuus, mutta ei kehon.

Joten eri aineiden ominaislämpökapasiteetti on erilainen. Tämä tarkoittaa, että jos annetaan eri aineita, joilla on sama massa ja sama lämpötila, niin niiden lämmittämiseksi eri lämpötilaan niiden on siirrettävä eri määrä lämpöä. Esimerkiksi kilo kuparia tarvitsee noin 10 kertaa vähemmän lämpöä kuin vesi. Eli kuparin ominaislämpökapasiteetti on noin 10 kertaa pienempi kuin veden. Voimme sanoa, että "kupariin laitetaan vähemmän lämpöä".

Lämmön määrä, joka on siirrettävä kehoon, jotta se lämmitetään lämpötilasta toiseen, saadaan seuraavasta kaavasta:

Q \u003d cm (t - t n)

Tässä t to ja t n ovat loppu- ja alkulämpötilat, m on aineen massa, c on sen ominaislämpö. Ominaislämpökapasiteetti otetaan yleensä taulukoista. Tästä kaavasta voidaan ilmaista ominaislämpökapasiteetti.